"карусельная" антенна кругового излучения с квадратно-рамочными элементами
Владельцы патента RU 2360339:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам кругового излучения с синфазным возбуждением и центральным питанием, и может быть использовано для создания широкополосной антенны горизонтальной поляризации с изотропной азимутальной диаграммой направленности при работе в метровом-дециметровом диапазоне длин радиоволн. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления. Антенна имеет целостное полотно из квадратно-рамочных структур вибраторов, которое выгнуто по окружности относительно центра, внутри которого расположен цилиндрический отражательно-рассеивающий проводящий элемент с общей для антенны точкой симметрии и с радиусом, меньшим радиуса окружности квадратно-рамочного полотна на (0.15-0.27)λ средней рабочей длины волны λ. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве широкополосной антенны горизонтальной поляризации с изотропной азимутальной диаграммой направленности при работе преимущественно в метровом-дециметровом диапазоне длин радиоволн в приемно-передающих вариантах.
Для создания излучения с горизонтальной поляризацией, близкого к равномерному по всем направлениям в горизонтальной плоскости, известны турникетные антенны (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., стр.251-253, рис.10.8). Они представляют собой систему из двух перпендикулярных вибраторов с совмещенными центрами. При питании вибраторов токами равных амплитуд с фазовым сдвигом в плоскости расположения вибраторов образуется линейная поляризация с круговым излучением в горизонтальной плоскости. Недостатком таких антенн является то, что максимумы излучения образуются в перпендикулярных плоскости расположения направлениях. Кроме этого, линейная поляризация обеспечивается только в плоскости расположения вибраторов, а во всех остальных направлениях поляризация становится эллиптической.
Известна всенаправленная антенна (RU 2180151 С1, 27.06.2000), содержащая в горизонтальной плоскости круглую горизонтальную металлическую рамку, размеры которой сравнимы с длиной рабочей волны, выполненную с разрывами, в которые включены реактивные элементы, которые выполнены из проводников, изогнутых в форме меандров, причем разрывы рамки выполнены на расстояниях от точки питания, соответствующих углам 45°, 135°, 225° и 315°, а максимальный линейный размер поперечного сечения проводника меандра в 5-10 раз меньше максимального размера поперечного сечения проводника рамки. Действительно, эта антенна обеспечивает квазиизотропную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости без нулевых провалов, но в узкой полосе частот на оптимальную нагрузку, так как конструктивно выполнена с сосредоточенными реактивными элементами.
Для горизонтально поляризованных сигналов наиболее оптимальной антенной при реализации широкополосной изотропной азимутальной диаграммы направленности является рамка с периметром, не превосходящим 
, где λмин - минимальная длина рабочей волны (Логинов Н.А. Актуальные вопросы радиоконтроля в Российской Федерации. - М.: Радио и связь, 2000, стр.102). При этом максимальная действующая длина вибратора, пропорциональная площади рамки и обратно пропорциональная длине рабочей волны, будет более чем в 10 раз меньше действующей длины волны полуволнового вибратора.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является двойная квадратно-рамочная антенна кругового излучения (Карл Ротхаммель. Антенны. Том 2: Пер. с нем., Данвел. - М.: 2005, стр.127), содержащая четверку поэтапно расположенных синфазно возбуждаемых полуволновых полноразмерных вибраторов с центральным питанием.
Процесс возбуждения квадратно-рамочных элементов от центрального входа антенны с коммутацией на все четыре двойных элемента осуществляется через отдельные двойные линии одинаковой длины, что обеспечивает синфазность возбуждения вибраторов и входное сопротивление антенны, равное 75 Ом, так как входные сопротивления каждого из четверки параллельно соединенных двойных элементов составляют по 300 Ом. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости каждого из двойных элементов соответствует ширине диаграммы полуволнового вибратора и равна 80°, что в комплексе обеспечивает приблизительно круговое излучение в горизонтальной плоскости при ширине диаграммы в вертикальной плоскости до 60°.
К недостаткам прототипа, кроме диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, более близкой к скругленному квадрату с плавными углублениями до 3 дБ, следует отнести чрезвычайно низкую величину коэффициента усиления антенны, что объясняется недостаточно эффективным взаимовлиянием комбинации элементов на фазовые соотношения, так как разнесение на 
квадратно-рамочных элементов, питаемых в противофазе, не гасит обратного излучения.
Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления и создание изотропной азимутальной диаграммы направленности в широкой полосе частот.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в антенне кругового излучения с квадратно-рамочными элементами, содержащей четверку синфазно возбуждаемых, размещенных по периметру вибраторов 1 с центральной точкой питания 2, проводники 3 квадратно-рамочных элементов образуют смежные полувибраторы, которые соединяются с соседними, образуя замкнутые квадраты, боковые углы 4 которых являются точками двухпроводных узлов питания 5, причем целостное полотно 6 из кратных четырем смежных синфазно возбуждаемых квадратно-рамочных структур вибраторов 1 выгнуто относительно центральной точки питания по окружности с образованием равноудаленного от центра квадратно-рамочного полотна 6 с дополнительным введением вовнутрь цилиндрического отражательно-рассеивающего проводящего элемента 7 с общей для антенны точкой симметрии 8 с радиусом 9, меньшим радиуса окружности квадратно-рамочного полотна 10 на (0.15-0.27)λ средней рабочей длины волны, и высотой цилиндрического элемента, большей 
максимальной рабочей длины волны.
За счет технического решения по дополнению антенны с введением вовнутрь цилиндрического отражательно-рассеивающего проводящего элемента, кроме его работы как рефлектора, удалось устранить взаимовлияние комбинации элементов по ухудшению фазовых соотношений, причем его цилиндрическая форма с длиной окружности при предлагаемых соотношениях радиуса относительно средней рабочей длины волны, всегда большей средней рабочей длины волны, обеспечивает его работу в качестве рефлектора, а изгиб по окружности квадратно-рамочных элементов и всего полотна антенны с равноудаленной структурой активных вибраторов от пассивного рефлектора обеспечивают классический режим работы вибраторной антенны с расширением диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, что в комплексе дает новое качество с достижением заявленного технического результата при разрешении поставленной задачи.
Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 схематично изображает антенну.
Фиг.2 - диаграммы направленности горизонтальной поляризации в горизонтальной и вертикальной плоскостях с таблицей величин коэффициентов усиления.
Работа «карусельной» антенны рассматривается в вариации ее реализации с отражательно-рассеивающим проводящим элементом, выполняющим роль рефлектора, с диаметром окружности, равным диаметру граней вписанного многоугольника, и квадратно-рамочными элементами из линейных проводников с кусочно-ломаными участками при равноудаленных от оси симметрии антенны мест перегибов.
Возбуждение квадратно-рамочных элементов осуществляется аналогично процессу, текущему в цепях прототипа, и данная антенна излучает радиоволны, у которых вектор поляризации электрического поля параллелен плоскости расположения кругового полотна антенны, которые из проводников, образующих замкнутые квадраты из двух полувибраторов каждый, составляют по кругу своеобразную карусель. Введенный вовнутрь цилиндрический отражательно-рассеивающий проводящий элемент, как рефлектор любой вибраторной антенны, ослабляет обратное излучение и увеличивает коэффициент усиления в основном направлении. Активные вибраторы, изогнутые по кругу, и цилиндрический рефлектор при равном радиальном удалении друг от друга обеспечивают классический режим работы каждого из вибраторов при расширении диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и в комплексе ее полного округления.
Кроме этого, с целью обеспечения грозозащиты и упрощения изготовления и эксплуатации в «карусельной» антенне дополнительно как верхние, так и нижние углы квадратно-рамочных элементов соединяют между собой по образующей окружности. В средних точках между верхними и нижними углами квадратно-рамочных элементов находятся точки нулевого потенциала и соединительные проводники в этих точках соединяют дополнительными проводниками с отражательно-рассеивающим элементом, обеспечивая грозозащиту всей антенны.
Работоспособность и преимущества заявляемого устройства по сравнению с антенной-прототипом наглядно подтверждаются электронным моделированием в программе MMANAGAL и проверкой испытаниями макета.
Техническая реализация в зависимости от диапазона использования заявляемой антенны может осуществляться на низких частотах из металлических каркасно-навесных конструкций, а на высоких частотах - путем печатных технологий с применением цилиндрических диэлектрических оснований.
«Карусельная» антенна кругового излучения с квадратно-рамочными элементами, содержащая четверку синфазно возбуждаемых размещенных по периметру вибраторов с центральным питанием, отличающаяся тем, что проводники квадратно-рамочных элементов, вместо образования верхних и нижних половин замкнутых частей верхнего и нижнего квадратно-рамочных элементов, образуют смежные правый и левый полувибраторы каждого вибратора, причем целостное полотно кратных четырем смежных синфазно возбуждаемых квадратно-рамочных элементов вибраторов выгнуто относительно центральной точки питания по окружности с образованием равноудаленного от центра квадратно-рамочного полотна, а углы смежных синфазно возбуждаемых квадратно-рамочных элементов вибраторов являются точками двухпроводных узлов питания, при этом внутрь структуры квадратно-рамочных элементов вибраторов дополнительно введен цилиндрический отражательно-рассеивающий проводящий элемент с общей для антенны точкой симметрии и с радиусом, меньшим радиуса окружности квадратно-рамочного полотна на (0.15-0.27)λ, средней рабочей длины волны и высотой, большей 
максимальной рабочей длины волны.
